地下深くには酸素があまりないため、そこに生息する細菌は、「呼吸」するときに生成する電子を除去する別の方法を進化させてきました。これらの回避策の 1 つは、電子を分散させるために導電性フィラメント (ナノワイヤー) を土壌に送り込むことを含みますが、このプロセスの重要な詳細は生物物理学者の理解から逃れています。

研究者は イェール大学、米国、 NOVA リスボン大学 ポルトガルの研究者らは、この属の細菌について ジオバクター、単一のタンパク質ファミリーは、これらの微生物ナノワイヤーを充電するための一連の電気接続「プラグ」のように機能します。この発見は、これらの細菌がどのように電子を輸送するかのモデルを大幅に単純化しており、研究チームは、この「最小限の配線機構」は細菌種間で共通している可能性があると述べている。

土壌に生息する細菌は、生成した電子を外部の電子受容体に提供する 2 つの方法があります。 1 つ目は土壌鉱物への電子の移動であり、細胞外電子移動 (EET) として知られています。 2 番目の直接種間電子移動 (DIET) にはパートナー種が関与します。どちらのプロセスも微生物が生存してコミュニティを形成する能力に不可欠ですが、非効率的な場合もあります。細菌のような ジオバクター したがって、より高速で長距離のEETを促進する導電性ナノワイヤを生成するように進化しました。

5つのタンパク質

タンパク質ファミリーは、 エール–NEW 研究チームは、これらのナノワイヤの動作の鍵となるものとして、5 つのタンパク質が含まれていることを特定しました。それらはすべて細菌の内膜と外膜の間の空間、つまり細菌のペリプラズムに存在しており、ペリプラズム シトクロム ABCDE (PpcA-E) として知られています。これらのタンパク質は、ナノワイヤとして機能する細菌表面のフィラメントに電子を注入し、「金属呼吸」のための電気接続を作成します。 ジオバクター.

この電気接続により、 ジオバクター 代謝中に生成された過剰な電子を仲介者を必要とせずに土壌中のミネラルに移動させるため、とイェール大学は説明する ニキル・マルヴァンカール、と研究を共同で主導した カルロス・サルゲイロ at NEW。本質的に、タンパク質は自然の土壌ベースの「電気グリッド」内のプラグとして機能します。このグリッドのおかげで、多くの種類の微生物が生存し、生命を維持できるようになっている可能性がある、と研究者らは述べている。

微細なピストンがシトクロムでできたフィラメントを押す

細菌のフィラメントは2002年に初めて観察されましたが、科学者たちは当初、それらがいわゆる線毛タンパク質（「線毛」はラテン語で「毛」を意味します）で構成されていると考えていました。多くの細菌はその表面に線毛を持っており、遺伝データはこれらの毛状フィラメントが同様の役割を果たす可能性があることを示唆しています。 ジオバクテそうです、マルヴァンカールは言います。しかし2021年、マルヴァンカールの研究室の研究者らは線毛の原子構造を解明し、線毛がシトクロムで構成されたフィラメントを押すピストンとして機能することを示した。さらに、OmcS および OmcZ として知られるシトクロムの原子構造には、電子を運ぶ金属含有ヘム分子の鎖 (上の画像の赤色) が含まれています。

これらの原子構造はナノワイヤがどのように電子を輸送するかを説明したが、ナノワイヤと細菌の表面との関係は謎のままだった、と彼は付け加えた。これは、ほとんどの細胞表面が非導電性であるためです。

「細菌はそれが存在しなくても電気を伝達できるにもかかわらず、ポリン・シトクロムと呼ばれる、細菌の膜に埋め込まれた別のタンパク質ファミリーがこの接続に関与していると考えられていました」とマルヴァンカー氏は説明する。 「電子をナノワイヤに伝達するペリプラズムタンパク質の存在により、中間電子伝達体の必要性がなくなり、タンパク質内の電子は少なくとも10倍の速度で移動できるにもかかわらず、細胞がどのようにして驚くほど速い速度（毎秒XNUMX万電子）で電子を伝達するのかが説明されます」もっとゆっくり。"

PpcA-E と OmcS の関係の解明

研究者らはまず、OmcS 内の電子のエネルギーを測定しました。彼らは、それが PpcA-E と同じであることを発見しました。 キャサリン・シップス OmcS の測定値は 0.1 V 異なると予想されていたため、驚くべきことであったと同氏は述べています。「OmcS の最初の測定時 (2011 年)、私たちは OmcS がナノワイヤを形成していることを知りませんでした」とこの部分の研究を行ったシップス氏は言います。 。 「これらの以前の測定は、シトクロムを非繊維状として扱うことによって行われており、この大きな矛盾を説明できるものです。」

2015年、NOVAのSalgueiroらは、PpcA-EがOmcSに電子を伝達できるのではないかと仮説を立てた。しかし、精製された OmcS ナノワイヤを入手することが困難だったため、この仮説を検証することは当時は実現できませんでした。マルヴァンカー氏は、シップス氏の発見は、PpcA-E が電子を OmcS に直接供与する可能性があることを示唆しており、これは別のチームメンバーが指摘したことであると述べている。 ヴィショク・スリカンスは、細菌から抽出されたときに OmcS と PpcA-E が一緒に残ることに気づいて提案しました。 「これらすべての結果は、PpcA-E が電子をナノワイヤーに渡すことができるという提案につながりました」と彼は言います。その後、2 つのグループは核磁気共鳴分光法を使用して仮説を確認しました。

「私たちの発見は、個々のタンパク質間の遅い電子の流れを克服することにより、細菌がどのように電子を輸送するかのモデルを大幅に単純化しました」とマルヴァンカー氏は語る 物理学の世界。 「私たちのチームメンバーの一人が発見したのは、 コン・シェン、このタンパク質ファミリーは進化的であり、多くの種にわたって保存されているということです。 ジオバクターということは、この最小限の配線機構が多くの細菌に遍在している可能性があることを意味します。」

で彼らの仕事を報告する研究者 ネイチャー·コミュニケーションズらは現在、新たに発見されたメカニズムを、気候にとって重要なバクテリア、またはバイオ燃料を生成できるバクテリアに組み込んでいます。目的は、これらの有益な微生物の成長を促進することです。 「私たちはまた、シトクロム OmcZ の別のナノワイヤがどのように帯電するかについても研究しており、これらのプロセスにおけるポリン - シトクロムの役割を特定しています」とマルヴァンカー氏は言います。

• SEO を活用したコンテンツと PR 配信。 今日増幅されます。
• PlatoData.Network 垂直生成 Ai。 自分自身に力を与えましょう。 こちらからアクセスしてください。
• プラトアイストリーム。 Web3 インテリジェンス。 知識増幅。 こちらからアクセスしてください。
• プラトンESG。 カーボン、 クリーンテック、 エネルギー、 環境、 太陽、 廃棄物管理。 こちらからアクセスしてください。
• プラトンヘルス。 バイオテクノロジーと臨床試験のインテリジェンス。 こちらからアクセスしてください。
• 情報源： https://physicsworld.com/a/bacterial-nanowires-make-an-electrical-grid-in-the-soil/